【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 線在表面的散射；第四類是光線跟蹤，類似于光線投射，但是使用了更加先進(jìn)的光學(xué)模擬方法，并且通常使用蒙特?卡羅方法以實(shí)現(xiàn)更加真實(shí)的結(jié)果，但是這樣做的代價(jià)通常是速度的大幅度降低。大多數(shù)高級(jí)軟件使用多種技術(shù)的組合，以在合理的開銷范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)足夠好的結(jié)果 [7]。 圖 21 渲染系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 一個(gè)典型的三維渲染程序包括渲染系統(tǒng)和外部應(yīng)用模塊。其中渲染系統(tǒng)又包括渲染引擎，設(shè)備管理模塊和虛擬設(shè)備 (Directx、 OpenGL)。 第二章 3D 渲染引擎簡(jiǎn)介 6 2 .1 .1 OpenGL 簡(jiǎn)介 OpenGL（全寫 Open Graphics Library）是個(gè)定義了一個(gè)跨編程語言、跨平臺(tái)的編程接口的規(guī)格，它用于三維圖象（二維的亦可）。 OpenGL 是個(gè)專業(yè)的圖形程序接口，是一個(gè)功能強(qiáng)大，調(diào)用方便的底層圖形庫。 其自誕生至今已催生了各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)及設(shè)備上的數(shù)千優(yōu)秀 應(yīng)用程序 。 OpenGL? 是獨(dú)立于視窗 操作系統(tǒng) 或其它操作系統(tǒng)的，亦是網(wǎng)絡(luò)透明的。在包含 CAD、內(nèi)容創(chuàng)作、能源、娛樂、游戲開發(fā)、制造業(yè)、制藥業(yè)及虛擬現(xiàn)實(shí)等行業(yè)領(lǐng)域中， OpenGL? 幫助程序員實(shí)現(xiàn)在 PC、工作站、超級(jí)計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備上的高性能、極具沖擊力 的高視覺表現(xiàn)力圖形處理軟件的開發(fā)。 圖 22 Windows 圖形 OpenGL 服務(wù) OpenGL 的前身是 SGI公司為其 圖形工作站 開發(fā)的 IRIS GL。 IRIS GL 是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 3D 圖形 軟件接口 ，功能雖然強(qiáng)大但是移植性不好，于是 SGI 公司便在 IRIS GL 的基礎(chǔ)上開發(fā)了 OpenGL。 OpenGL 的英文全稱是 “Open Graphics Library” ，顧名思義， OpenGL 便是 “ 開放的圖形程序接口 ” 。雖然 DirectX 在家用市場(chǎng)全面領(lǐng)先，但在專業(yè)高端繪圖領(lǐng)域， OpenGL 是不能被取代的主角。 OpenGL 是個(gè)與硬件無關(guān)的軟件接口，可以在不同的平臺(tái)如 Windows 9Windows NT、 Unix、 Linux、 MacOS、 OS/2 之間進(jìn)行移植。因此，支持 OpenGL 的軟件具有很好的移植性，可以獲得非常廣泛的應(yīng)用。由于 OpenGL 是圖形的底層圖形庫，沒有提供幾何實(shí)體圖元，不能直接用以描述場(chǎng)景。但是，通過一些轉(zhuǎn)換程序，可以很方便地將 AutoCAD、 3DS/3DSMAX 等 3D圖形設(shè)計(jì)軟件制作的 DXF和3DS 模型文件轉(zhuǎn)換成 OpenGL 的頂點(diǎn) 數(shù)組 。 在 OpenGL 的基礎(chǔ)上還有 Open Inventor、 Cosmo3D、 Optimizer 等多種高級(jí)圖形庫，適應(yīng)不同應(yīng)用。其中， Open Inventor應(yīng)用最為廣泛。該軟件是基于 OpenGL面向?qū)ο?的工具包，提供創(chuàng)建交互式 3D 圖形應(yīng)用程序的對(duì)象和方法，提供了預(yù)定義的對(duì)象和用于交互的事件處理模塊，創(chuàng)建和編輯 3D 場(chǎng)景的高級(jí)應(yīng)用程序單元，有打印對(duì)象和用其它圖形格式交換數(shù)據(jù)的能力。 OpenGL 的發(fā)展一直處于一種較為遲緩的態(tài)勢(shì)，每次版本的提高新增的技術(shù)很少，大多只是對(duì)其中部分做出修改和完善。 1992 年 7 月， SGI 公司發(fā)布了 OpenGL第二章 3D 渲染引擎簡(jiǎn)介 7 的 ，隨后又與 微軟公司 共同開發(fā)了 Windows NT 版本的 OpenGL，從而使一些原來必須在高檔圖形工作站上運(yùn)行的大型 3D 圖形處理軟件也可以在微機(jī)上運(yùn)用。 1995 年 OpenGL 的 版本面市，該版本比 的性能有許多提高，并加入了一些新的功能。其中包括改進(jìn)打印機(jī)支持，在增強(qiáng)元文件中包含 OpenGL 的調(diào)用，頂點(diǎn)數(shù)組的新特性，提高頂點(diǎn)位置、法線、 顏色、色彩指數(shù)、紋理坐標(biāo)、多邊形邊緣標(biāo)識(shí)的傳輸速度，引入了新的紋理特性等等。 OpenGL 又新增了“OpenGL Shading Language” ，該語言是 “OpenGL ” 的底核，用于著色對(duì)象、頂點(diǎn)著色以及片斷著色技術(shù)的擴(kuò)展功能。 OpenGL 標(biāo)準(zhǔn)的主要制訂者并非原來的 SGI，而是逐漸在 ARB 中占據(jù)主動(dòng)地位的 3DLabs。 ，同時(shí)在頂點(diǎn)與像素及 內(nèi)存管理 上與 DirectX 共同合作以維持均勢(shì)。 OpenGL 將由 OpenGL 的現(xiàn)有功能加上與之完全兼容的新功能所組成 (如圖一 )。借此可以對(duì)在 ARB停滯不前時(shí)代各家推出的各種糾纏不清的擴(kuò)展指令集做一次徹底的精簡(jiǎn)。此外硬件可編程能力的實(shí)現(xiàn)也提供了一個(gè)更好的方法以整合現(xiàn)有的擴(kuò)展指令。 OpenGL 是一個(gè)開放的三維圖形 軟件包 ，它獨(dú)立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，以它為基礎(chǔ)開發(fā)的應(yīng)用程序可以十分方便地在各種平臺(tái)間移植； OpenGL 可以與Visual C++緊密接口，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的有關(guān)計(jì)算和圖形算法，可保證算法的正確性和可靠性； OpenGL 使用簡(jiǎn)便，效率高。它具有七大功能： ： OpenGL 圖形庫除了提供基本的點(diǎn)、線、多邊形的繪制函數(shù)外，還提供了復(fù)雜的三維物體（球、錐、多面體、茶壺等） 以及復(fù)雜 曲線 和曲面繪制函數(shù)。 ： OpenGL 圖形庫的變換包括基本變換和投影變換?；咀儞Q有平移、旋轉(zhuǎn)、變比 鏡像 四種變換，投影變換有平行投影（又稱正射投影）和透視投 影兩種變換。其變換方法有利于減少算法的運(yùn)行時(shí)間，提高三維圖形的顯示速度。 ： OpenGL 顏色模式有兩種，即 RGBA 模式和顏色索引（ Color Index）。 ： OpenGL 光有輻射光（ Emitted Light）、環(huán)境光（ Ambient Light）、漫反射光（ Diffuse Light）和鏡面光（ Specular Light）。材質(zhì)是用光反射率來表示。場(chǎng)景（ Scene）中物體最終反映到人眼的顏色是光的紅綠藍(lán)分量與材質(zhì)紅綠藍(lán)分量的反射率相乘后形成的顏色。 5:紋理映射 （ Texture Mapping）。利用 OpenGL 紋理映射功能可以十分逼真地表達(dá)物體表面細(xì)節(jié)。 6:位圖顯示和圖象增強(qiáng)圖象功能除了基本的拷貝和像素讀寫外，還提供融合第二章 3D 渲染引擎簡(jiǎn)介 8 （ Blending）、反走樣（ Antialiasing）和霧（ fog）的特殊圖象效果處理。以上三條可使被仿真物更具真實(shí)感，增強(qiáng)圖形顯示的效果。 7：雙緩存動(dòng)畫（ Double Buffering）雙緩存即前臺(tái)緩存和后臺(tái)緩存，簡(jiǎn)言之，后臺(tái)緩存計(jì)算場(chǎng)景、生成畫面，前臺(tái)緩 存顯示后臺(tái)緩存已畫好的畫面。 此外，利用 OpenGL 還能實(shí)現(xiàn)深度暗示（ Depth Cue）、運(yùn)動(dòng)模糊（ Motion Blur）等特殊效果。從而實(shí)現(xiàn)了消隱算法。 OpenGL 設(shè)備運(yùn)用，目前瑞芯微 2918 芯片和英偉達(dá)芯片 Tegra2 就是采用 OpenGL 技術(shù)進(jìn)行圖形處理，而基于瑞芯微 2918芯片方案代表是臺(tái)電 T760 和微蜂 X7 平板電腦所采用到 [8]。 2 .1 .2 DirectX 簡(jiǎn)介 DirectX，（ Direct eXtension，簡(jiǎn)稱 DX）是由微軟公司創(chuàng)建的多媒體編程接口。由 C++編程 語言實(shí)現(xiàn)，遵循 COM。被廣泛使用于 Microsoft Windows、Microsoft Xbox 和 Microsoft Xbox 360 電子游戲開發(fā)，并且只能支持這些平臺(tái)[2]。最新版本為 DirectX 11，創(chuàng)建在最新的 Windows 7 上。 DirectX 加強(qiáng) 3d 圖形和聲音效果，并提供設(shè)計(jì)人員一個(gè)共同的硬件驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，讓游戲開發(fā)者不必為每一品牌的硬件來寫不同的驅(qū)動(dòng)程序，也降低用戶安裝及設(shè)置硬件的復(fù)雜度。從字面意義上說， Direct 就是直接的意思，而后邊的 X則代表了很多的意思，從這一點(diǎn)上我們就可以看出 DirectX 的出現(xiàn)就是為了為眾多軟件提供直接服務(wù)的。 舉個(gè)例子，骨灰級(jí)玩家以前在 DOS下玩游戲時(shí)，可不像我們現(xiàn)在，安裝上就可以玩了，他們往往首先要先設(shè)置聲卡的品牌和型號(hào)，然后還要設(shè)置 IRQ（中斷）、I/O（輸入與輸出）、 DMA（存取模式），如果 哪項(xiàng)設(shè)置的不對(duì)，那么游戲聲音就發(fā)不出來。這部分的設(shè)置不僅讓玩家傷透腦筋，而且對(duì)游戲開發(fā)者來說就更頭痛了，因?yàn)闉榱俗層螒蚰軌蛟诒姸嚯娔X中正確運(yùn)行，開發(fā)者必須在游戲制作之初，便需要把市面上所有聲卡硬件數(shù)據(jù)都收集過來，然后根據(jù)不同的 API（應(yīng)用編程接口）來寫不同的驅(qū)動(dòng)程序，這對(duì)于游戲制作公司來說，是很難完成的，所以說在當(dāng)時(shí)多媒體游戲很少。微軟正是看到了這個(gè)問題，為眾廠家推出了一個(gè)共同的應(yīng)用程序接口 —— DirectX，只要這個(gè)游戲是依照 Directx 來開發(fā)的，不管你是什么顯卡、聲卡、統(tǒng)統(tǒng)都能玩，而且還能發(fā)揮更佳的 效果。當(dāng)然，前提是你的顯卡、聲卡的驅(qū)動(dòng)程序也必須支持 DirectX 才行。 DirectX 是由很多 API組成的，按照性質(zhì)分類，可以分為四大部分，顯示部分、聲音部分、輸入部分和網(wǎng)絡(luò)部分。 顯示部分 第二章 3D 渲染引擎簡(jiǎn)介 9 顯示部分擔(dān)任圖形處理的關(guān)鍵，分為 DirectDraw（ DDraw）和 Direct3D（ D3D），前者主要負(fù)責(zé) 2D 圖像加速。它包括很多方面：我們播放 mpg、 DVD 電影、看圖、玩小游戲等等都是用的 DDraw，你可以把它理解成所有劃線的部分都是用的DDraw。后者則主要負(fù)責(zé) 3D效果的顯示，比如 CS 中的場(chǎng)景和人 物、 FIFA 中的人物等等，都是使用了 DirectX 的 Direct3D。 聲音部分： 聲音部分中最主要的 API 是 DirectSound，除了播放聲音和處理混音之外，還加強(qiáng)了 3d 音效，并提供了錄音功能。我們前面所舉的聲卡兼容的例子，就是利用了 DirectSound 來解決的。 輸入部分： 輸入部分 DirectInput 可以支持很多的游戲輸入設(shè)備，它能夠讓這些設(shè)備充分發(fā)揮最佳狀態(tài)和全部功能。除了鍵盤和鼠標(biāo)之外還可以連接手柄、搖桿、模擬器等。 網(wǎng)絡(luò)部分： 網(wǎng)絡(luò)部分 DirectPlay 主要就是為了具有網(wǎng)絡(luò)功能游戲而開發(fā)的，提供了多種連接方式， TCP/IP， IPX， Modem，串口等等，讓玩家可以用各種連網(wǎng)方式來進(jìn)行對(duì)戰(zhàn)，此外也提供網(wǎng)絡(luò)對(duì)話功能及保密措施 [9]。 2 .2 3D 建模簡(jiǎn)介 3D 建模 通俗來講就是通過三維制作軟件通過虛擬 三維空間 構(gòu)建出具有三維數(shù)據(jù)的模型。 D 建模大概可分為 :NURBS 和多邊形網(wǎng)格。 NURBS 對(duì)要求精細(xì)、彈性與復(fù)雜的模型有較好的應(yīng)用，適合量化生產(chǎn)用途 。多邊形網(wǎng)格建模是靠拉面方式，適合做效果圖與復(fù)雜場(chǎng)景動(dòng)畫 .綜合說來各有長(zhǎng)處。 建模方法 使用計(jì)算機(jī)描述一個(gè)系統(tǒng)的行為。例如， 電子表格 程序可以用來處理財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)，代表公司的行為；開發(fā)商業(yè)計(jì)劃；評(píng)估公司經(jīng)營(yíng)改變可能造成的影響。 使用計(jì)算機(jī)以數(shù)學(xué)方法描述物體和它們之間的空間關(guān)系。例如， 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (CAD) 程序可在屏幕上生成物體，使用方程式產(chǎn)生直線和形狀，依據(jù)它們相互之間及與所在的二維或三維空間的關(guān)系精確放置。 應(yīng)用程序 和數(shù)據(jù)建模是為應(yīng)用程序確定、記錄和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和進(jìn)程要求的過程。這包括查看現(xiàn)有的數(shù)據(jù)模型和進(jìn)程，以確定它們是否可被重復(fù)使用，并創(chuàng)建新數(shù)據(jù)模型和進(jìn)程，以滿足應(yīng)用程序的獨(dú)特要求。 建模過程中的主要活動(dòng)包括：確定數(shù)據(jù)及其相關(guān)過第二章 3D 渲染引擎簡(jiǎn)介 10 程 圖 23 3D 模型 （如實(shí)地銷售人員 需要查看在線產(chǎn)品目錄并提交新客戶訂單）。 定義數(shù)據(jù)（如數(shù)據(jù)類型、大小和默認(rèn)值）。確保數(shù)據(jù)的完整性（使用業(yè)務(wù)規(guī)則和驗(yàn)證檢查）。 定義操作過程（如安全檢查和備份）。選擇數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)（如關(guān)系、分層 或索引存儲(chǔ)技術(shù)）。一定要知道建模通常會(huì)以意想不到的方式涉及公司的管理。例如，當(dāng)對(duì)哪些數(shù)據(jù)元素應(yīng)由哪些組織來維護(hù)有新的見解時(shí)，數(shù)據(jù)所有權(quán)（以及數(shù)據(jù)維護(hù)、準(zhǔn)確性和及時(shí)性的隱含責(zé)任）通常會(huì)遭到質(zhì)疑。數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)常常促使公司認(rèn)識(shí)到企業(yè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)是如何相互依存的，并且鼓勵(lì)公司抓住協(xié)調(diào)后的數(shù)據(jù)規(guī)劃所帶來的效率提高、成本節(jié)約和戰(zhàn)略性機(jī)遇。 在結(jié)束建模時(shí)，您已經(jīng)完全定義了應(yīng)用程序的要求，確定了可能被其他企業(yè)級(jí)應(yīng)用程序重復(fù)使用的數(shù)據(jù)和服務(wù)，并為將來擴(kuò)展奠定了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)。 3D建模常用的軟件主要有 Autodesk公司的 3ds max和Maya[10]。 2 .2 .1 3Ds Max 簡(jiǎn)介 3D Studio Max，常簡(jiǎn)稱為 3ds Max或 MAX，是 Autodesk公司開發(fā)的基于 PC系統(tǒng)的 三維動(dòng)畫 渲染和制作軟件。其前身是基于 DOS操作系統(tǒng) 的 3D Studio系列軟件，最新版本是 2021。在 Windows NT出現(xiàn)以前，工業(yè)級(jí)的 CG制作被 SGI圖形工作站所壟斷。 3D Studio Max + Windows NT組合的出現(xiàn)一下子降低了 CG制作的門檻，首選開始運(yùn)用在電腦游戲中的動(dòng)畫制作，后更進(jìn)一步開始參與影視片的 特效制作。 在應(yīng)用范圍方面，廣泛應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、多媒體制作、游戲、輔助教學(xué)以及工程可視化等領(lǐng)域 。擁有強(qiáng)大功能的 3DS MAX 被廣泛地應(yīng)用于電視及娛樂業(yè)中， 比如 片頭動(dòng)畫和視頻游戲的制作，深深扎根于玩家心中的 勞拉 角色形象就是 3DS MAX 的杰作